Здавалка
Главная | Обратная связь

Краткое описание усилительных каскадов



Издательство МЭИ

Москва 2006

 

 

УДК

621.396

К 227

УДК 621.396.64.049.77 (076.5)

 

Утверждено учебным управлением МЭИ

Подготовлено на кафедре полупроводниковой электроники МЭИ

 

 

Рецензенты: докт. техн. наук, профессор А.П. Лысенко,

канд. техн. наук, доцент Е.Е. Чаплыгин.

 

Каретников И.А., Соловьев А.К., Чарыков Н.А.

Усилительные устройства и стабилизаторы напряжения. Лабораторные работы № 1 – 9: Методическое пособие по курсу “Электронные цепи и микросхемотехника” для студентов, обучающихся по направлению “Электроника и микроэлектроника” / Под ред. И.А. Каретникова – М.: Издательство МЭИ, 2006. – 72 с.

 

 

Рассмотрено построение основных каскадов электронных схем на биполярных транзисторах, способы обеспечения их режима по постоянному току. Изложены способы оценки как малосигнальных параметров, так и параметров для большого сигнала. Изучаются дифференциальные каскады и организация операционного усилителя. Рассматривается использование обратных связей для создания как активных фильтров, так и широкополосных устройств, в том числе современных стабилизаторов постоянного напряжения.

Пособие предназначено для подготовки бакалавров и дипломирован-ных инженеров по электронике.

Продолжительность лабораторных занятий – 4 часа.

 

ã Московский энергетический институт, 2006 г.

 

 

Лабораторная работа № 1

 

ИЗУЧЕНИЕ ОДИНОЧНЫХ УСИЛИТЕЛЬНЫХ КАСКАДОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА НА СРЕДНИХ ЧАСТОТАХ

 

Цель работы — приобретение навыков по исследованию коэффициента передачи по напряжению, входного и выходного сопротивления, амплитудной характеристики одиночных усилительных каскадов с различным включением транзисторов на средних частотах, проведение теоретических расчетов и сравнение их с экспериментально полученными данными.

Краткое описание усилительных каскадов

 

Усилительный каскад содержит: источник питания, транзистор(ы) и ряд элементов – (как правило) резисторы, обеспечивающих режим работы транзистора в активной области характеристик и стабилизацию его рабочей точки – тока покоя транзистора. Для подведения сигнала на вход каскада и съема сигнала с выхода используются различные элементы связи, в частности, в данной работе – конденсаторы.

Простейшие схемы усилительных каскадов представлены на рис. 1.1, а, б, в. Для определения основных параметров усилителя (входного rВХ и выходного rВЫХ сопротивлений, коэффициента передачи по напряжению KU) необходимо воспользоваться малосигнальными эквивалентными схемами замещения каскадов. При построении этих схем все источники постоянных ЭДС закорачиваются. Транзистор представляется своей схемой замещения, которая с большей или меньшей детальностью (в зависимости от выдвигаемых требований) учитывает его свойства. Конденсаторы связи C1 и С2, а также блокирующий конденсатор С3 на средних и высоких частотах хорошо пропускают сигнал, и их сопротивление принимается равным нулю. Емкость нагрузки СН достаточно мала и не шунтирует нагрузку. Эквивалентные малосигнальные схемы замещения каскадов с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК), приведены на рис. 1.1, г, д, е. Они действительны для средних частот. В эквивалентных схемах рис. 1.1, г, д, е, транзистор со стороны коллектора считается источником тока.

Проанализируем каскад с общей базой (рис. 1.1, а). Для входной цепи транзистора (рис. 1.1, г) можно написать uВХ=iЭrЭ+iБrБ. Откуда следует, что входное сопротивление относительно точек 1-1

rВХ = u ВХ/ iЭ = rЭ+rБ(1–α) = h11Б. (1.1)

Это выражение определяет входное сопротивление тран­зистора. Входное сопротивление усилителя составит rВХ Б =h11Б ||RЭ.

Коэффициент передачи напряжения определяется соотношением

KU = uВЫХ /uВХ = iКRН'/iЭ rВХ = aRН'/h11Б (1.2)

поскольку rЭ=jт/IЭ0, то входное сопротивление каскада и его коэффициент усиления по напряжению зависят от режима работы по постоянному току. Поэтому для расчета этих параметров на практике необходимо знать рабочий ток каскада IК0, IЭ0. Если IЭ0<1мА, то в первом приближении можно считать, что h11Б = rЭ. Как правило rЭ<<RЭ, и в этом случае оценочно можно принять, что rВХ Б @ rЭ, а КU @ aRН'! rЭ.

Если на входе каскада включен источник сигнала eГ с конечным внутренним сопротивлением RГ, то

КU' = uВЫХ/eГ = (uВЫХ/uВХ ) ( r ВХ Б /(RГ + r ВХ Б )). (1.3)

 

Если RГ, RЭ>>h11Б, то KU @ aRН'/RГ, что существенно меньше величины, получаемой из выражения (1.2). Таким образом, для обеспечения высокого КU' в схеме ОБ необходимо, чтобы источник сигнала имел малое внутреннее сопротивление RГ.

Вновь вернемся к рис. 1.1 и рассмотрим схему каскада с общим эмиттером (рис. 1.1, б). Эквивалентная схема замещения каскада для средних частот представлена на рис. 1.1, д. Входное сопротивление транзистора (относительно точек 1 – 1)

rВХ = uВХ / iБ = (iБrБ+iЭrЭ) / iБ = rБ + rЭ(b +1) = h11Э, (1.4)

а входное сопротивление всего каскада rВХЭ = h11Э||RБ.

Коэффициент передачи напряжения

KU = uВЫХ / uВХ = – iКRН / iБh11Э = – bRН' / h11 Э = – a RН' / h11 Б. (1.5)

Знак “–“ обозначает, что каскад ОЭ поворачивает фазу сигнала на 1800. Как видим, и в этом случае параметры КU и rВХЭ в значительной степени зависят от режима работы каскада по постоянному току IЭ0. В случае, если на вход усилительного каскада включен источник сигнала с внутренним сопротивлением RГ, то

КU = uВЫХ / eГ = (uВЫХ / uВХ) (r ВХ Э / (R Г+ r ВХ Э)) (1.6)

уменьшается, по сравнению с (1.7), однако не столь сильно, как для каскада ОБ.

Выходное сопротивление транзистора (rВЫХ) зависит от величины сопротивлений в цепях базы и эмиттера. При этом схема включения транзистора ОБ или ОЭ не влияет на величину rВЫХ.

Для определения rВЫХ воспользуемся эквивалентной схемой рис. 1.2. Сопротивления RЭ и RБ здесь выражают суммарные (внутренние и внешние) сопротивления цепей базы и эмиттера. К коллектору транзистора приложим переменное напряжение еГ'. В соответствии с приведенной схемой, если принять, что RЭ||RБ<< rК, следует

iВЫХ' = iЭ+eГ'/(rК+RЭ||RБ) = aiЭ+eГ'/rК,


Рис.1.1. Транзисторные усилительные каскады: а – с общей базой; б – с общим эмиттером; в – с общим коллектором;
г, д, е – их эквивалентные схемы замещения для средних частот

 


а ток iЭ= iВЫХ' RБ/(RБ+RЭ). Исключая из этих двух соотношений ток iЭ, получим

rВЫХ = еГ'/iВЫХ =
rК(1 – a (RБ /(RЭ + RБ)). (1.7)

 

Очевидно, при RБ>>RЭ значение rВЫХ = rК(1 – a), а при условии RБ<<RЭ величина rВЫХ @ rК.

Выходное сопротивление транзистора в схеме ОБ в соответствии с выражением (1.7) равно

rВЫХ = rК(1 – a rБ / (гЭ+RЭ||RГ)) = rК. (1.8)

Выходное сопротивление всего каскада rВЫХ Б = rВЫХ||RК. Как правило RК<<rВЫХ, при этом можно считать, что rВЫХ Б @ RК.

 

Для каскада ОЭ соответственно получим

rВЫХ = rК (1 – a(rБ + RБ||RГ)/(rЭ+rБ+RБ||RГ)) @ rК(1 – a), (1.9)

а выходное сопротивление каскада rВЫХ Э = rВЫХ||RК @ RК.

 

Проанализируем каскад с общим коллектором (рис. 1.1, в). В соответствии с эквивалентной схемой рис. 1.1, е входное сопротивление относительно точек 1-1

rВХ = rБ + (rЭ + RН') (b+1) = h11Э + RН'(b +1), (1.10)

где Rн' = Rэ||Rн.

Полное входное сопротивление каскада

rВХК = (h11Э + RН'(b +l))||RБ.

Коэффициент передачи напряжения каскада ОК меньше единицы

 

KU = uВЫХ / uВХ = iЭRН' / iБ rВХ = (b+1)RН' / (h11 Б + RН'(b+1)) =

= RН'/(h11 Б + RН'). (1.11)

Наиболее часто h11Б << RН'. В этом случае можно считать, что КU @1 и мало зависит от режима работы каскада по постоянному току. С учетом внутреннего сопротивления источника сигнала RГ

KU' = uВЫХ / eГ = KU (rВХ К / (RГ + rВХ К)).

Выходное сопротивление эмиттерного повторителя (rВЫХ К)можно найти, если замкнуть накоротко ЭДС еГ, а вместо сопротивления нагрузки (рис. 1.1, в) включить источник ЭДС еГ' и рассчитать ток iВЫХ', потребляемый от него схемой. Отношение еГ' / iВЫХ' = rВЫХ и будет выходным сопротивлением схемы:

rВЫХ К = RЭ||(h11Б + (RБ||RГ)/(b +1)). (1.12)

 

Сравнивая схемы 1.1, в и 1.1, а, можно заметить, что rВЫХ К каскада ОК по смыслу аналогично rВХ Б каскада ОБ. Если сопротивление источника сигнала RГ невелико, то каскад ОК обладает малым выходным сопротивлением » h11Б. Величина выходного сопротивления зависит от режима работы транзистора по постоянному току !

Из сравнения малосигнальных параметров каскадов ОБ, ОЭ и ОК следует, что минимальным входным сопротивлением обладает каскад ОБ, а наибольшим – ОК. Каскад ОК обладает наименьшим выходным сопротивлением. Коэффициенты усиления по напряжению без учета влияния сопротивления RГ для каскадов ОЭ и ОБ одинаковые и, как правило, больше единицы, а для каскада ОК – КU < 1. Отметим, что каскад ОК имеет высокое усиление по току Кi = (b+1). В схеме ОЭ Кi = b , а в схеме ОБ Кi =a, т.е. меньше единицы.

 







©2015 arhivinfo.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.